Väitös biotuoteteknologian alalta, MSc Bin Zhao

Väitöskirjan nimi: Superstructured wood-based carbon materials for broadband light absorption and CO₂ capture

Väittelijä: Bin Zhao
Vastaväittäjä: Prof. Sunkyu Park, NC State University, Yhdysvallat
Kustos: Prof. Orlando Rojas, Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu

Valo on runsas resurssi; kuitenkin hajavalo voi merkittävästi vaikuttaa optisten järjestelmien suorituskykyyn ja pitkäikäisyyteen. Haitalliset vaikutukset, kuten kuvan kontrastin heikkeneminen ja signaalin heikkeneminen, korostavat edistyneiden ratkaisujen tarvetta näiden haasteiden tehokkaaseen vähentämiseen. Supermustat materiaalit, joilla on lähes nollan valon heijastuvuus, ovat erittäin kysyttyjä useiden valoon perustuvien teknologioiden parantamiseksi. Tässä tutkimuksessa kehitimme puupohjaisia spektrisuojausmateriaaleja, joilla on poikkeuksellisen alhainen heijastuvuus UV-VIS-NIR (250–2500 nm) ja MIR (2.5–15 μm) alueilla. Käyttämällä yksinkertaista ylhäältä alas-lähestymistapaa valmistimme kestäviä puupohjaisia supermustia materiaaleja karbonisoimalla delignifioitua puuta 1500 °C lämpötilassa. Tämä prosessi aiheutti pystysuorien hiilimikrokuitusarjojen muodostumisen (~100 µm paksu), joiden valonheijastuvuus oli niinkin alhainen kuin 0,36 %.

Lisäksi syntetisoimme monimittaisia hiilisuprapartikkeleita (SP) pehmeän mallinnusprosessin avulla, jotka osoittivat korkeaa mekaanista lujuutta. Jatkotyössä loimme karbonisoiduista rekonstituoiduista puusta (cRW) järjestelmän, jolla on parannettu ulottuvuustarkkuus ja hienosäädetyt valoa absorboivat fibrillaariset mikrorakenteet. Tämä johti laajakaistaisiin valopyydyksiin, jotka saavuttivat superabsorptanssin, ylittäen 99.8 % absorption laajalla aallonpituusalueella infrapunasta ultraviolettiin. 

Puupohjaiset supermustat materiaalit ja laajakaistainen musta kappale osoittivat ylivoimaisen laserin säteen heijastuvuutta verrattuna kaupallisiin valon rajoittimiin, eliminoiden lämpöhaamuheijastukset. Tämä tekee niistä lupaavia ehdokkaita referenssi-infrapunasäteilijöiksi lämpökuvauslaitteiden kalibrointiin. Optisten sovellusten lisäksi hiilisuprapartikkelit tarjoavat myös hierarkkisia adsorptiopaikkoja, saavuttaen korkean CO₂-adsorptiokapasiteetin. Tämä innovaatio hiilidioksidin adsorptio osoitettiin ratkaisevan perinteisten nanopartikkelipohjaisten järjestelmien rajoitukset. Kaiken kaikkiaan tämä väitöskirja tiivistää puusta johdettuja ratkaisuja, jotka ulottuvat monispektrisestä suojauksesta hiilidioksidin adsorptioteknologioihin.

Avainsanat: wood, delignification, lignin particles, supraparticles, carbonization, superblack, light reflectance, CO₂ capture

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): Aaltodoc 

Yhteystiedot:
bin.2.zhao@aalto.fi
linkedin.com/in/bin-zhao-ba1301161
Puh: +358505012835